王新強(qiáng),景華玉,王小亮,劉利國,周 濤,萬軍軍,張 正

(雙良硅材料(包頭)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014060)

近些年,光伏電池組件從P型轉(zhuǎn)向N型,得益于N型具備高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)。N型電池組件需求低氧雜質(zhì)的硅片,反映到光伏行業(yè)上游拉晶制造環(huán)節(jié),即在直拉單晶硅生產(chǎn)過程中生產(chǎn)低氧單晶硅圓棒。在直拉法生產(chǎn)單晶硅環(huán)節(jié)降低晶棒的氧含量,眾多研究者們研究了不同的方向降低晶棒的氧含量,如通過調(diào)整拉晶的工藝參數(shù)、調(diào)整熱場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、更換熱場(chǎng)部件的材質(zhì)、在單晶爐外側(cè)增加磁場(chǎng)等措施,均達(dá)到了降低氧含量的目的。

通過研究文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn),任丙彥等[1]通過在單晶熱場(chǎng)內(nèi)增加了復(fù)合熱屏,達(dá)到了降低晶棒氧含量的目的。高宇等[2]通過改變熱屏外層的輻射率得到了高質(zhì)量的晶體。芮陽等[3]通過研究一段式熱屏和二段式熱屏發(fā)現(xiàn),一段式熱屏更有利于得到低氧的晶體。騰冉等[4]通過研究直臂熱屏和傾斜熱屏的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),直臂式熱屏更容易得到低氧的晶體。張向宇等[5]通過研究熱屏在熱場(chǎng)的不同位置發(fā)現(xiàn),熱屏底部距離熔體的垂直距離與V/G值呈正相關(guān)關(guān)系。Teng Y Y等[6]研究了導(dǎo)流筒的底部水平結(jié)構(gòu)與氧含量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流筒水平結(jié)構(gòu)與石英坩堝間隙為10 mm時(shí)氧最低。關(guān)小軍等[7]研究了熱屏相對(duì)液面和晶棒的距離與晶體品質(zhì)的相關(guān)性。騰冉等[8]研究了熱屏外側(cè)添加涂層增加熱量反射率與晶棒生長(zhǎng)界面的影響。蘇文佳等[9]研究了不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒對(duì)晶體的氧和晶體質(zhì)量的關(guān)系。Zhang J等[10]研究了無導(dǎo)流筒、矩形導(dǎo)流筒、復(fù)合導(dǎo)流筒3種結(jié)構(gòu)對(duì)晶體品質(zhì)和氧的影響。

從以上研究文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn),研究者們僅研究了熱屏(導(dǎo)流筒)的大致結(jié)構(gòu)形狀,未詳細(xì)研究具體尺寸對(duì)晶體的品質(zhì)影響,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)使用指導(dǎo)方向較弱。但在實(shí)際生產(chǎn)中,需有傾斜結(jié)構(gòu)以滿足實(shí)際應(yīng)用需求,而諸多文獻(xiàn)資料中未詳細(xì)報(bào)道傾斜結(jié)構(gòu)與氧的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

本文采用CGSim晶體生長(zhǎng)軟件,模擬研究導(dǎo)流筒底部不同結(jié)構(gòu)對(duì)熔體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、氧含量等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析,得出導(dǎo)流筒的底部最佳結(jié)構(gòu),指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。本文的模擬爐型采用晶盛160爐型,應(yīng)用模擬軟件建立二維軸對(duì)稱模型,軟件采用有限體積法和有限單元法進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)格劃分和熱場(chǎng)材料如圖1所示。導(dǎo)流筒的底部結(jié)構(gòu)分為兩部分:一是水平部分,如圖2中A點(diǎn)到B點(diǎn)的長(zhǎng)度,記為X值;二是傾斜部分,如圖2中B點(diǎn)到C點(diǎn)的長(zhǎng)度,記為Y值。本文主要研究X值和Y值對(duì)熔體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、氧含量的影響,最終確定最優(yōu)的導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。

圖1 單晶爐的網(wǎng)格劃分和熱場(chǎng)材料圖

圖2 導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)

模擬的初始拉晶工藝參數(shù)如下:等徑長(zhǎng)度為200 mm,晶轉(zhuǎn)為10 r/min,堝轉(zhuǎn)為5 r/min,爐壓為13 torr,氬氣流量為100 slpm,晶體拉速為90 mm/h。總劃分網(wǎng)格數(shù)為11 109個(gè),采用矩形和三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,對(duì)研究的導(dǎo)流筒內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分處理。

本文考慮了湍流模型、傳熱、質(zhì)量傳輸相關(guān)的守恒方程,建立2D模型軸對(duì)稱模型;模擬中所涉及到的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等控制方程和邊界條件參考文獻(xiàn)[11]。

模擬過程使用的各物性參數(shù)見表1。

表1 材料的物性參數(shù)

本文主要研究導(dǎo)流筒底部的兩個(gè)結(jié)構(gòu):X值和Y值。X值的研究范圍:15、40、80、120和160 mm,Y值的研究范圍:40、80、120和160 mm,研究其趨勢(shì)變化。使用單一控制變量法,首先固定Y值,分別依次研究X值的變化,選擇最優(yōu)X值;然后固定X值,依次研究Y值,最終確定最優(yōu)X值和Y值,確定導(dǎo)流筒的底部結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)X值對(duì)熔體溫度的影響

單晶硅中的氧雜質(zhì)主要來源是石英坩堝與熔硅的高溫反應(yīng)產(chǎn)生氧雜質(zhì),經(jīng)過擴(kuò)散和分凝作用摻入單晶硅中。熔體的溫度和對(duì)流影響氧雜質(zhì)分凝到晶棒濃度,研究導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)對(duì)熔體的溫度和對(duì)流影響較為有意義。本文研究導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)首先固定Y值為40 mm,研究X值的變化對(duì)熔體的溫度影響(見圖3)。隨著X值增加,三相點(diǎn)(石英坩堝、熔體、氣體)附近的溫度隨之增加。隨著X值增加,石英坩堝底部(R弧部分)的溫度隨之增加。隨著X值增加,自由液面下方的溫度逐漸增加。隨著X值增加,生長(zhǎng)界面下方的溫度分布沒有明顯改變。由此得知,導(dǎo)流筒的底部結(jié)構(gòu)改變能改變?nèi)垠w內(nèi)溫度分布。

圖3 熔體內(nèi)溫度分布

2.2 導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)X值對(duì)熔體對(duì)流的影響

導(dǎo)流筒底部X值的變化對(duì)熔體對(duì)流的影響如圖4所示。隨著X值增加,坩堝直臂附近的對(duì)流強(qiáng)度有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì),如X=120 mm和X=160 mm的對(duì)流中心處。隨著X值增加,生長(zhǎng)界面下方的對(duì)流強(qiáng)度沒有明顯改變。隨著X值增加,自由液面下方的對(duì)流強(qiáng)度隨之增加;并且自由液面下方的熔體流動(dòng)路徑發(fā)生改變,如圖4中自由液面附近熔體流向箭頭路徑所示;與圖3中結(jié)果相對(duì)應(yīng):熔體自由液面附近溫度發(fā)生了改變,進(jìn)而影響了該區(qū)域的對(duì)流。另外X值增加,使得氬氣吹拂自由液面的形式發(fā)生了改變,影響了氬氣的路徑,進(jìn)而影響了自由液面下方的熔體對(duì)流。

圖4 熔體內(nèi)對(duì)流分布

2.3 導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)X值對(duì)氧濃度的影響

石英坩堝與熔硅反應(yīng)出的氧雜質(zhì),大部分從自由液面揮發(fā)到熱場(chǎng)氣氛中,只有少部分氧雜質(zhì)經(jīng)過生長(zhǎng)界面分凝到晶棒內(nèi);氧雜質(zhì)從自由液面的揮發(fā)濃度受到熱場(chǎng)氣體中的氧化硅濃度和熔體中的氧化硅濃度的分壓影響,改變導(dǎo)流筒的形狀能起到改變氣體中氧化硅的分壓作用。選取自由液面上方1 mm位置以研究從熔體中揮發(fā)到氣氛中的氧化硅濃度(見圖5)。由圖5得知,隨著X值增加,自由液面上方氣氛中氧化硅的濃度逐步降低;當(dāng)X=160 mm時(shí),自由液面上方氧化硅濃度最低。說明從熔體中揮發(fā)出的氧化硅雜質(zhì)濃度隨著X值增加而增加,加快了氧化硅的揮發(fā)速率,使得爐內(nèi)氣體帶走了更多的氧化硅雜質(zhì)。與圖3和圖4結(jié)果相對(duì)應(yīng):X值的增加改變了自由液面附近的熔體溫度和熔體對(duì)流,改變了自由液面附近氣體中的氧化硅濃度的分壓,加快了氧化硅從熔體中揮發(fā)到氣氛中的速率。

圖5 X值變化對(duì)自由液面氧化硅濃度的影響

導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)X值的變化與晶體生長(zhǎng)界面氧濃度關(guān)系如圖6所示。由圖6得知,隨著X值增加,生長(zhǎng)界面氧濃度逐步降低,與文獻(xiàn)[6]結(jié)論一致。當(dāng)X=160 mm時(shí),生長(zhǎng)界面氧濃度最低,比X=15 mm時(shí)低0.57 ppma;這主要由于X=160 mm時(shí)導(dǎo)流筒的底部結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)氧化硅從熔體自由液面揮發(fā)快,更多的氧雜質(zhì)從自由液面揮發(fā)到了爐內(nèi)氣氛中,分凝到晶棒內(nèi)的氧雜質(zhì)則降低,降低了晶棒生長(zhǎng)界面的濃度,與圖5所示結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖6 X值變化對(duì)生長(zhǎng)界面氧濃度的影響

2.4 導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)Y值對(duì)氧濃度的影響

研究導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)Y值的方法同研究X值,由上文得知,導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)改變影響了熔體溫度和對(duì)流,最終會(huì)影響到自由液面上方氧化硅濃度和生長(zhǎng)界面氧濃度,因此研究Y值不再贅述熔體溫度和對(duì)流的改變,僅研究自由液面上方氧化硅濃度(見圖7)和生長(zhǎng)界面氧濃度(見圖8)。首先固定X=160 mm,研究導(dǎo)流筒底部結(jié)構(gòu)Y值對(duì)氧濃度的影響。由圖7可知,改變Y值,對(duì)自由液面上方氣氛中的氧化硅濃度幾乎沒有影響;對(duì)比圖5中數(shù)據(jù)的X值變化與氧化硅濃度關(guān)系,X值對(duì)自由液面上方氣氛中的氧化硅濃度影響較大,起到?jīng)Q定性作用。由圖8可知,改變Y值,對(duì)生長(zhǎng)界面的氧濃度幾乎沒有影響,氧波動(dòng)在0.01 ppma范圍內(nèi)。對(duì)比圖6中數(shù)據(jù)的X值變化與氧濃度關(guān)系,X值對(duì)生長(zhǎng)界面的氧濃度影響較大,起到?jīng)Q定性作用。

圖7 Y值變化對(duì)自由液面氧化硅濃度的影響

圖8 Y值變化對(duì)生長(zhǎng)界面氧濃度的影響

因此,由以上分析得知,導(dǎo)流筒的底部水平結(jié)構(gòu)是影響晶棒氧濃度的主要結(jié)構(gòu),傾斜結(jié)構(gòu)對(duì)氧濃度影響較小。而導(dǎo)流筒的底部水平結(jié)構(gòu)不能無限增加,因?yàn)樵趯?shí)際拉晶生產(chǎn)中,石英坩堝內(nèi)的硅料需要拉干(堝底料<10 kg),若X值無限增大,會(huì)與石英坩堝的底部相干涉,影響拉干堝底料(見圖2)。因此在本熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)中,X值最大值取160 mm。Y值選取較小的結(jié)構(gòu)值即可,有利于增加導(dǎo)流筒內(nèi)部保溫氈的面積,增加保溫性,因此Y值選取40 mm即可。

3 結(jié)語

本文采用CGSim晶體模擬軟件對(duì)160型單晶爐熱場(chǎng)的導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,通過調(diào)整導(dǎo)流筒底部的2個(gè)結(jié)構(gòu),研究分析導(dǎo)流筒底部水平結(jié)構(gòu)和傾斜結(jié)構(gòu)對(duì)熔體內(nèi)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、氧含量的影響,得出如下結(jié)論。

1)隨著導(dǎo)流筒底部水平結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加,能起到改變?nèi)垠w內(nèi)溫度分布和改變自由液面下方熔體對(duì)流的作用。

2)隨著導(dǎo)流筒底部水平結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加,能加速氧化硅從自由液面揮發(fā)到熱場(chǎng)氣體環(huán)境中,降低晶棒的氧含量。

3)導(dǎo)流筒底部?jī)A斜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加,對(duì)自由液面氧化硅濃度和生長(zhǎng)界面氧濃度基本無影響。

因此,導(dǎo)流筒底部的水平結(jié)構(gòu)是影響晶棒氧含量的主要結(jié)構(gòu),而導(dǎo)流筒底部的傾斜結(jié)構(gòu)對(duì)晶棒氧含量的影響較小。